抽水蓄能電站機(jī)組與主變壓器保護(hù)閉鎖邏輯問題研究

王永衛(wèi)，程 鵬

（山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司運(yùn)檢部，山東省泰安市 271000）

抽水蓄能電站機(jī)組與主變壓器保護(hù)閉鎖邏輯問題研究

王永衛(wèi)，程 鵬

（山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司運(yùn)檢部，山東省泰安市 271000）

抽水蓄能電站機(jī)組一般能運(yùn)行于多種工況下，不同工況對(duì)發(fā)電機(jī)—變壓器組保護(hù)的要求不一樣。本文以某電站機(jī)組與主變壓器保護(hù)配置為例，分析在不同工況下抽水蓄能機(jī)組和主變壓器保護(hù)配置及閉鎖邏輯設(shè)定上所采取的方法，介紹當(dāng)機(jī)組處于不同工況下運(yùn)行時(shí)各保護(hù)的閉鎖邏輯，為其他廠站抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行提供借鑒。

抽水蓄能；機(jī)組；保護(hù)；閉鎖邏輯

0 引言

電力是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè)，是人民生產(chǎn)生活不可缺少的基本要素。十一五期間，隨著我國(guó)電力工業(yè)的不斷發(fā)展，核電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電及大容量機(jī)組的建設(shè)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻提出了新的要求。當(dāng)前越來越多的抽水蓄能機(jī)組相繼投產(chǎn)運(yùn)行，抽水蓄能電站對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)壓及事故備用等方面的效益已得到越來越多的重視。

抽水蓄能機(jī)組兼具多種運(yùn)行工況且轉(zhuǎn)換頻繁，不同工況下要求所投入保護(hù)不同。例如，機(jī)組在電氣制動(dòng)停機(jī)過程中，為防止發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，這就要求此時(shí)發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)要可靠閉鎖，同時(shí)低頻過流保護(hù)應(yīng)投入運(yùn)行。因此，抽水蓄能發(fā)電機(jī)—變壓器組保護(hù)應(yīng)具有基本的邏輯運(yùn)算能力和靈活的組態(tài)功能，能對(duì)不同工況信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，其結(jié)果是用來控制保護(hù)的投退、定值切換或閉鎖。保護(hù)閉鎖邏輯與廠站內(nèi)的一次電氣系統(tǒng)接線、保護(hù)裝置特性、保護(hù)配置等因素密切相關(guān)，不同廠站的保護(hù)閉鎖邏輯和其實(shí)現(xiàn)方法也不同。

本文以山東某抽水蓄能電站為例，介紹了該電站機(jī)組閉鎖保護(hù)的目的、保護(hù)實(shí)現(xiàn)閉鎖的分類以及保護(hù)閉鎖配置的實(shí)現(xiàn)方法。該電站裝有4臺(tái)單機(jī)容量250MW的單級(jí)立軸混流可逆式水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)，以兩回220kV出線接入山東電網(wǎng)運(yùn)行。發(fā)電電動(dòng)機(jī)和變壓器組采用單元接線方式，發(fā)電電動(dòng)機(jī)出口設(shè)置有斷路器，故發(fā)電電動(dòng)機(jī)、變壓器各裝設(shè)兩套完整的微機(jī)保護(hù)。每組保護(hù)的TA、TV、直流電源及出口跳閘回路均分開，獨(dú)立工作。當(dāng)某一組保護(hù)柜退出運(yùn)行時(shí)，另一組保護(hù)仍可滿足主設(shè)備運(yùn)行要求。

該電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)和變壓器的差動(dòng)保護(hù)均采用雙重化配置，以保證機(jī)組在發(fā)電和抽水運(yùn)行時(shí)均有兩組差動(dòng)保護(hù)在工作。各保護(hù)裝置不同運(yùn)行工況下的投入或閉鎖，由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（CSCS）來完成。

1 機(jī)組與主變壓器保護(hù)閉鎖影響因素

該電站機(jī)組設(shè)計(jì)主要運(yùn)行工況有：停機(jī)穩(wěn)態(tài)（Standstill）、發(fā)電工況（Generate）、抽水工況（Pump）、發(fā)電調(diào)相工況（Condenser Generate）、抽水調(diào)相工況（Condenser Pump）、黑啟動(dòng)工況（Black Start）。工況轉(zhuǎn)換具體如圖1所示，其中機(jī)組停機(jī)穩(wěn)態(tài)到抽水工況啟動(dòng)以SFC靜止變頻啟動(dòng)為主，背靠背啟動(dòng)為輔，停機(jī)穩(wěn)態(tài)到發(fā)電工況分為正常啟動(dòng)和黑啟動(dòng)兩種情況。

圖1 某電站機(jī)組工況轉(zhuǎn)換示意圖

由于抽水蓄能機(jī)組的獨(dú)特的運(yùn)行特性，在實(shí)際運(yùn)行中，抽水蓄能機(jī)組保護(hù)裝置主要受以下因素影響。

1.1 換相

抽水蓄能電站具有發(fā)電與抽水兩種工況，機(jī)組在發(fā)電工況運(yùn)行和抽水工況運(yùn)行時(shí)，機(jī)組設(shè)置換相刀閘來改變相序，從而改變發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。換相刀閘位置不同，這就對(duì)機(jī)組保護(hù)產(chǎn)生了多方面的影響。在機(jī)組進(jìn)行抽水工況啟動(dòng)時(shí)（包括SFC啟動(dòng)和背靠背啟動(dòng)），機(jī)組的換相是通過換相刀閘進(jìn)行的。機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)方向不一樣，保護(hù)配置就不一樣，對(duì)于特定工況的保護(hù)，在其他工況下運(yùn)行時(shí)應(yīng)該被閉鎖掉。

1.2 抽水工況啟動(dòng)

在抽水蓄能機(jī)組抽水工況的同步啟動(dòng)過程中，無論變頻啟動(dòng)（SFC啟動(dòng)）或同步啟動(dòng)（背靠背啟動(dòng)），機(jī)組和連接母線都流過低于工頻電流，承受的電壓也是低于工頻的，其幅值則隨著轉(zhuǎn)速的上升逐步接近其額定值。機(jī)組在這個(gè)過程中的電氣保護(hù)應(yīng)予以特殊考慮，而低頻率下TV、TA及繼電保護(hù)能否正常運(yùn)行以避免誤動(dòng)和拒動(dòng)則是抽水蓄能機(jī)組必須面對(duì)的問題。因此，設(shè)置低頻過流保護(hù)作為10Hz以下的主保護(hù)，應(yīng)閉鎖會(huì)造成誤動(dòng)或拒動(dòng)的保護(hù)，如發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、定子過電流保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)、過激磁保護(hù)。

1.3 電氣制動(dòng)刀投入

當(dāng)抽水蓄能機(jī)組停機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速降至額定值的50%時(shí)，電氣制動(dòng)刀投入使發(fā)電機(jī)出口定子三相短路，然后在轉(zhuǎn)子回路加勵(lì)磁，此時(shí)定子電流產(chǎn)生失去磁電樞反應(yīng)，定子磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相反，達(dá)到制動(dòng)目的，縮短機(jī)組停機(jī)時(shí)間。當(dāng)機(jī)組電制動(dòng)開始后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸下降，此時(shí)需要閉鎖易誤動(dòng)的保護(hù)；同時(shí)，電氣制動(dòng)時(shí)定子端部會(huì)發(fā)熱，需要閉鎖定子過負(fù)荷保護(hù)。

1.4 外部因素影響

機(jī)組與主變壓器保護(hù)受多種外部因素影響，如外部交流電壓回路電壓互感器二次側(cè)開關(guān)跳閘，此時(shí)應(yīng)閉鎖以電壓判據(jù)相關(guān)的低阻抗保護(hù)。

1.5 被保護(hù)元器件不投入時(shí)的處理

當(dāng)被保護(hù)元器件不投入時(shí)，應(yīng)閉鎖該保護(hù)功能。如機(jī)組在電氣制動(dòng)刀合上或換向刀分開時(shí)，發(fā)電機(jī)出口斷路器為斷開狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)閉鎖斷路器失靈保護(hù)。

2 機(jī)組與主變壓器保護(hù)閉鎖配置的方法

該電站機(jī)組因存在多種運(yùn)行工況，故其發(fā)電機(jī)—變壓器組保護(hù)配置較常規(guī)的水輪機(jī)組復(fù)雜。其發(fā)電機(jī)—變壓器組保護(hù)采用的是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的7UT6系列和7UM6系列的微機(jī)成套保護(hù)裝置，每組單元接線的發(fā)電電動(dòng)機(jī)及主變壓器均有兩組完整的保護(hù)裝置，兩組保護(hù)裝置冗余配置，并配有專門的故障錄波裝置。每組保護(hù)柜的TV、TA、直流電源和出口跳閘回路均獨(dú)立配置，以滿足在事故情況下一套保護(hù)短時(shí)退出時(shí)仍有一套保護(hù)裝置正常工作滿足機(jī)組正常運(yùn)行的需要。該電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)繼電保護(hù)配置見表1。

表1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)繼電保護(hù)配置

該電站主變壓器繼電保護(hù)配置見表2。

表2 主變壓器繼電保護(hù)配置

抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的正常運(yùn)行在很大程度上依賴于監(jiān)控系統(tǒng)送出的工況信號(hào)。在機(jī)組工況轉(zhuǎn)換過程中，保護(hù)裝置會(huì)收到CSCS（計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)）發(fā)出的工況信號(hào)，依據(jù)工況信號(hào)，該投入的保護(hù)會(huì)投入，該閉鎖的保護(hù)會(huì)閉鎖，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行證明，該電站機(jī)組保護(hù)在這一點(diǎn)上設(shè)計(jì)得很好。

在機(jī)組背靠背啟動(dòng)時(shí)，機(jī)組間的保護(hù)是通過現(xiàn)地控制單元的編組功能實(shí)現(xiàn)，如若一臺(tái)機(jī)組在啟動(dòng)過程中出現(xiàn)故障跳閘，無論其是拖動(dòng)機(jī)還是被拖動(dòng)機(jī)都將動(dòng)作于跳開另一臺(tái)機(jī)組。但啟動(dòng)母線未配置相應(yīng)保護(hù)，需靠機(jī)組保護(hù)實(shí)現(xiàn)。

主變壓器過流保護(hù)是在機(jī)組發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相以及出口開關(guān)合閘時(shí)閉鎖，那么投入的狀態(tài)有機(jī)組靜止主變壓器空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)、泵工況啟動(dòng)時(shí)（含SFC及背靠背啟動(dòng)），此時(shí)主變壓器差動(dòng)保護(hù)僅有一套投入。

3 機(jī)組與主變壓器保護(hù)閉鎖的實(shí)現(xiàn)方式

綜上所述，該電站機(jī)組與主變壓器保護(hù)閉鎖實(shí)現(xiàn)方式如下：

3.1 開入量直接閉鎖該保護(hù)功能

這種實(shí)現(xiàn)方式首先需要在PLC繼電保護(hù)軟件中定義該保護(hù)裝置中外部開入量有無電壓閉鎖，外部信號(hào)可直接閉鎖保護(hù)裝置，如電氣制動(dòng)、外部電壓回路PT二次側(cè)開關(guān)跳閘、斷路器失靈保護(hù)閉鎖信號(hào)等。

3.2 開入量轉(zhuǎn)換保護(hù)定值區(qū)

這種方式不同于3.1中直接閉鎖保護(hù)方式。當(dāng)機(jī)組SFC抽水工況啟動(dòng)時(shí)保護(hù)裝置的定值區(qū)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到定值B區(qū)，背靠背啟動(dòng)時(shí)被拖動(dòng)機(jī)組和拖動(dòng)機(jī)組保護(hù)裝置定值區(qū)轉(zhuǎn)換到定值C區(qū)，不同定值區(qū)用軟件控制某些保護(hù)的投退實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。

3.3 采用常閉節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)化開入時(shí)解除保護(hù)閉鎖

這是3.1中方式的補(bǔ)充。當(dāng)用3.1中方式解除保護(hù)功能時(shí)，自動(dòng)化開入量無電壓，而此種方式在自動(dòng)化開入量有電壓后保護(hù)側(cè)繼電器加壓勵(lì)磁，常閉接點(diǎn)打開解除閉鎖關(guān)系。

3.4 受機(jī)組出口電壓影響

這種閉鎖方式存在于通過測(cè)量電壓大小閉鎖相應(yīng)保護(hù)和利用出口PT二次側(cè)輔助接點(diǎn)直接閉鎖保護(hù)功能兩種方式。

3.5 機(jī)組中性點(diǎn)接地開關(guān)斷開

當(dāng)機(jī)組背靠背方式啟動(dòng)時(shí)，拖動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)接地開關(guān)斷開影響測(cè)量接在中性點(diǎn)上的保護(hù)裝置，如100%接地保護(hù)，雖然拖動(dòng)機(jī)存在自動(dòng)化開入量直接閉鎖保護(hù)功能，但實(shí)際上拖動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)接地開關(guān)斷開時(shí)雙重閉鎖該保護(hù)。

3.6 其他刀閘合上或斷開時(shí)閉鎖

這種方式涉及機(jī)組換向刀閘等輔助節(jié)點(diǎn)直接閉鎖保護(hù)功能，形成雙重化閉鎖。

通過認(rèn)真分析該電站4臺(tái)機(jī)組各個(gè)工況下保護(hù)的配置情況，總結(jié)出機(jī)組和主變壓器的保護(hù)閉鎖的邏輯關(guān)系。

3.7 發(fā)電機(jī)A組保護(hù)

負(fù)序過流保護(hù)（定時(shí)限）、Ⅰ段及Ⅱ段跳主變壓器A組保護(hù)及啟動(dòng)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)失靈保護(hù)，是在發(fā)電機(jī)出口開關(guān)閉合時(shí)投入，在背靠背啟動(dòng)時(shí)，拖動(dòng)狀態(tài)閉鎖；100%定子接地保護(hù)，在電氣制動(dòng)及背靠背啟動(dòng)時(shí)閉鎖；低頻保護(hù)，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合位，SFC隔離開關(guān)開位，在泵工況或泵調(diào)相運(yùn)行狀態(tài)時(shí)投入；逆功率保護(hù)，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合位，發(fā)電工況運(yùn)行時(shí)投入；F12負(fù)序過流保護(hù)，在電氣制動(dòng)投入時(shí)閉鎖。

3.8 發(fā)電機(jī)B組保護(hù)

F21低阻抗保護(hù)，Z1阻抗保護(hù)跳主變壓器B組保護(hù)和橋開關(guān)及Z2阻抗保護(hù)跳橋開關(guān)、延時(shí)跳主變壓器B組保護(hù)和橋開關(guān)在發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合位時(shí)投入，背靠背啟動(dòng)時(shí)拖動(dòng)狀態(tài)閉鎖；F21低頻過流保護(hù)，在機(jī)組發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相時(shí)閉鎖；負(fù)序過流保護(hù)高定值Ⅰ段和Ⅱ段跳主變壓器B組保護(hù)在發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合位時(shí)投入，背靠背啟動(dòng)時(shí)拖動(dòng)狀態(tài)閉鎖；低功率保護(hù)，在發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合位且泵工況運(yùn)行狀態(tài)下投入；轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，黑啟動(dòng)時(shí)閉鎖；F22縱差動(dòng)保護(hù)，在電氣制動(dòng)及背靠背啟動(dòng)時(shí)，被拖動(dòng)狀態(tài)閉鎖；F22負(fù)序過流保護(hù)，在電氣制動(dòng)時(shí)閉鎖。

3.9 主變壓器A組保護(hù)

F32主變壓器間隙零序電流保護(hù)、主變壓器間隙零序電壓保護(hù)在中性點(diǎn)隔離開關(guān)處在斷開位置的時(shí)候投入。

3.10 主變壓器B組保護(hù)

F41A縱差動(dòng)保護(hù)（發(fā)電工況下），換相刀閘發(fā)電工況位置閉合，換相刀閘泵工況位置開位時(shí)投入，在背靠背啟動(dòng)時(shí)，拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)閉鎖；F41B縱差動(dòng)保護(hù)（泵工況下），換相刀閘發(fā)電工況位置開位，換相刀閘泵工況位置合位時(shí)投入；主變壓器過流保護(hù)，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)在開位，機(jī)組發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相時(shí)閉鎖；F42主變壓器間隙零序電壓保護(hù)、主變壓器間隙零序電流保護(hù)，當(dāng)中性點(diǎn)隔離開關(guān)處在斷開位置的時(shí)候投入。

4 結(jié)束語

因抽水蓄能電站較常規(guī)水電站一次接線復(fù)雜，運(yùn)行工況繁多且轉(zhuǎn)換頻繁，這就需要生產(chǎn)人員對(duì)保護(hù)配置、動(dòng)作邏輯等多方面進(jìn)行深入研究，針對(duì)不同故障類型和異常形式配置不同的保護(hù)，防止出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，防止出現(xiàn)保護(hù)盲區(qū)。因各個(gè)廠站選用的保護(hù)裝置不同，在保護(hù)配置、二次回路復(fù)雜程度、保護(hù)閉鎖邏輯實(shí)現(xiàn)等方面引起的差異很大，在今后的抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的設(shè)計(jì)與選型上需全面考慮不同工況下保護(hù)的工作性能及電氣參數(shù)變化對(duì)保護(hù)的影響，以便確定保護(hù)的閉鎖邏輯。

[1] 張兵海.抽水蓄能機(jī)組工況運(yùn)行對(duì)發(fā)變組保護(hù)的影響.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)[J]，2008，（32）：40-44.

[2] 倪丹雪.抽水蓄能機(jī)組和主變保護(hù)閉鎖邏輯研究.電工技術(shù)[J]，2010，（11）：62-63.

[3] 王昕.抽水蓄能機(jī)組機(jī)電保護(hù)配置研究.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制[J]，2010，（24）：66-70.

王永衛(wèi)（1987—），男，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站生產(chǎn)運(yùn)行。E-mail：a312651276@163.com

程 鵬（1980—），男，工學(xué)學(xué)士，中級(jí)工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站生產(chǎn)運(yùn)行。

Resarch on the Blocking Logic Problem of Pumped Storage Power Station Unit and Main Transformer Protection

WANG Yongwei，CHENG Peng
（Shandong Taishan Pumped Storage Power Station Co.Ltd，Taian 271000，China）

Normally，there are several modes of a pumped storage unit，and each mode demands different protections.In this paper，Some related special generator transformer protection is discussed for each working mode and analyzed the protection configuration and the blocking logic methods taken on the set of the pumped storage units and the main transformer under different working mode.This paper introduces the blocking logic of the protection when the unit is under different working mode，and provides reference for the operation of pumped storage units in other stations.

pumped storage power station；unit；protection；blocking logic